Моделирование сварного шва плоскими элементами

[Dmitry_sh 0]

Столкнулся с достаточно интересной проблемой моделирования сварного шва двух пластин. Сварка-лазерная, импульсная, глубина провара не более 1 мм, толщина пластин 1,3 мм. Пластины разбиваю shell элементами, а в месте шва задаю связь в соответствующих узлах двух пластин.

Вопрос, насколько точно может быть такое моделирование?

[Vova 419]

Всё зависит от того, что нужно посчитать.

Если Выс интересует именно шов, тогда может и нет.

Если требуется соединить две пластины и напряжения в сварном шве особо не важно тогда возможно и достаточно.

Трудно давать ответ если модель невидел.

И зачем такие подробности про глубину провара в 1мм. Если Вы это думаете моделировать тогда придеться делать сварной шов так как он есть.

[Dmitry_sh 0]

К сожалению не могу прикрепить файл (или не знаю как ). Слышал, что нужно 10 сообщений набрать, только тогда новикам разрешается прикреплять картинки

Мне нужно посчитать напряжения именно в сварном шве. Строить очень сложную конечно-элементную 3-D модель шва я не могу, т.к. приходится часто перестраивать модель для различных размеров и толщин пластин.

В кратце о модели: аллюминиевая коробка с крышкой. Крышка крепиться к коробке с помощью лазерной саврки. Картинку постараюсь выложить.

Vova, большое спасибо за ответ.

[Vova 419]

Если я правильно понял, Вы хотите расчитать, выдержит ли сварной шов определенную нагрузку.

По моему мнению можно к такой задаче подойти следущим образом:

1. Расчитать силы и направление сил в узлах сварного шва.

2. Далее как учили в школе посчитать выдержит ли щов нагрузку. Длина шва и площадь поперечного сечения известно, материал тоже вроде как алюминий, форму сварного шва знаете, силу и направления сила берем из МКЭ модели.

Поправте если не прав.

[Dmitry_sh 0]

Да, именно нагрузка (напряжения) во шве меня больше всего интересует. Интересно также посмотреть прогиб крышки в середине, но это не главное. Vova, Вы правы можно вычислить напряшения, имея некоторую прощадку и силу, действующую на неё, но мне кажется здесь более сложный случай.

Вообще точно описать сварной шов с помощью какой-либо модели, наверно не возможно, а вот найти приближённую модель, которая давала бы приемлемые результаты я думаю можно.

Загвоздка заключается в том, что форма сварного шва не идеальна, и его площадь поперечного сечения может меняться по всей длине шва. Не говоря уже о технологических дефектах.

Потом вот ещё, если я возьму силу и её направление из статического расчета МКЭ модели, остаётся вопрос: "Правильно ли построена данная КЭ модель для данной постановки задачи?" Т.е. Коректно ли програмный комплекс (в данном случае ANSYS) будет считать вектора сил в сварном шве, если модель построена так как я описывал ниже?

[URI-I-I 10]

Dmitry_sh

площадь поперечного сечения может меняться по всей длине шва

Может. Однако геометрические размеры шва, принятого ОТК, должны (в своих отклонениях) соответствовать либо ГОСТ-у, если он стандартный, либо чертежу, если он нестандартный. Поэтому можете, наверное, исходить из минимально разрешенных его размеров.

Не говоря уже о технологических дефектах

В контексте Вашего вопроса о них и не нужно говорить. Если конструктивно не допускаются швы со шлаковыми включениями, ламеллярными трещинами, прожогами, наплывами, незаваренными кратерами, то они подлежат вырубке на основании дефектоскопии (инструментальной либо визуальной - как требует чертеж) и перевариванию. Кроме того, напомню, что в подавляющем большинстве отраслей промышленности приняты коэффициенты запаса по сварным швам бОльшие, чем по основному металлу (либо несущая способность швов установлена меньше, чем у оного).

Наконец, еще один момент. В редкой конструкции Вы обнаружите швы, работающие на чистейшее растяжение. Причём работающие вровень с основным металлом. И даже если так, то грамотный конструктор/технолог применит для их выполнения сварочные материалы, обеспечивающие бОльшую пластичность металла шва по сравнению с основным. Таким образом, основная энергия растяжения будет приходится не на шов.

[Vova 419]

Согласен с URI-I-I идальных швов не бывает поэтому надо делать по ГОСТ-у.

По поводу насколько точны расчеты MKЭ: Если модель не особо сложная прикиньте просто по сопромату как в институте на втором курсе делали.

Упростите модель. Если результаты будут похожими ( в данном случае силы и направления), тогда усё в порядке.

[Dmitry_sh 0]

В основном согласен с URI-I-I.

Для справки: При лазерной сварке предельные допускаемые напряжения во шве беруться по уровню 0,9 и 0,8 для алюминия и титана соответственно, от предельных напряжений самого материалла.

Не знаю грамотные ли у нас на предприятии технологи, не спрашивал Но то что сварка происходит без присадочного материала-это точно.

Короб устанавливается в вакуумную камеру, для того чтобы кромки свариваемых пластин не окислились. Затем шов прогревается на низкой мощности лазерным лучом, далее уже проваривается на рабочей. Таким образом шов представляет из себя оплав самих пластин, его прочность только ниже немного чем у основного материала.

Вообще, может я просто не знаю чего, но сваривать такие тонкие пластины (1,3мм) с присадочным материалом, да ещё лазерным лучом сложновато Поэтому ещё пластины просто спаивают припоем ПОС61, шов действительно намного пластичнее чем материал пластин (Цитата URI-I-I:"...сварочные материалы, обеспечивающие бОльшую пластичность металла шва по сравнению с основным.").

После сварки, происходит наполнение короба газом избыточным давлением в 1,2 атмосферы и герметизация его (описание модели см. моё сообщение от Apr 3 2006, 9:57). В самом коробе находится электроника(платы там всякие печатные ). Так вот под таким давлением крышка(и шов соответственно) должна выдержать 10 лет)) без разгерметизации! Поэтому слишком большая пластичность шва вряд ли нужна, по моему.

Не хочется, но наверно придется применить теорию упругости для того чтобы оценить насколько КЭ модель врёт :(

Спасибо за Ваши ответы

[URI-I-I 10]

Dmitry_sh

Я чой-то и забыл, что Вы про лазерную сварку писали-то. Ну так лазерная сварка - вещь в себе. Считаю, что в этом случае достаточно задать глобальный контакт между соприкасающимися гранями деталей как "совместное перемещение" (или "жесткая связь" или "монолит" - я просто не знаю, какой программой у вас считают) при нулевых зазорах. Наибольшие расчетные напряжения наверняка будут в месте соприкосновения деталей. Останется отследить непревышение их допускаемым именно для сварного шва.

[Dmitry_sh 0]

URI-I-I

Програма используемая для расчетов - ANSYS.

Да, я так и делаю - задаю жесткую связь в месте сварки, точнее я моделирую место сварки как единый набор узлов. Сперва строю геометрию - короб, состоящий из плоскостей, а в месте сварки у меня сходятся две плоскости, имеющие общую сторону (линия сварки). После того, как модель будет разбита на плоские элементы, в месте сварки у двух пластин окажутся общие узлы(т.е. жесткая связь)

И наибольшие расчётные напряжения, само собой, возникают в месте шва , и я конечно же их сравниваю с допустимыми.

Тока вопрос опять остается в воздухе....приемлема ли такая модель для расчета шва в принципе?

[Dmitry_sh 0]

Фууф))) наконец-то могу файл прикрепить

[URI-I-I 10]

приемлема ли такая модель для расчета шва в принципе?

Повторяю своё личное мнение: такая модель для озвученных целей не только приемлема, но и для лазерной сварки - наиболее приемлема. Даже если бы варилось методами с плавящимся электродом - в применённом подходе имеется больше плюсов (не всегда очевидных) и меньше минусов. Это я к тому, что имею серьёзные методологические претензии к другому методу, когда моделят муляж сварного шва (верней, его наплавленной "верхушки"), "приставляют" его к, например, тавровому соединению, и проводят глубокомысленный расчёт. Как раз в этом случае, представляется мне, сосредоточено наибольшее количество некорректных допущений и огрублений.

А вот с конструктивной точки зрения я бы шовчик Ваш покритиковал. То есть, Вы привели почти классический пример так называемого "незаделанного шва", когда детали соприкасаются на некоторой длине, а соединены (в нашем случае - сварены) только в одной точке сечения. "Заделка" - это когда Вы разнесете соединение на некоторое "плечо", тем более легко это сделать благодаря полке корпуса. Не обязательно раздваивать шов. Можете поставить узел на машину контактной сварки и пройти точками вдоль шва (с отступом). Получите таким образом гораздо более долговечное и выносливое соединение.

[Dmitry_sh 0]

Приятно слышать, что не только у меня такое мнение . Так как я уже таким способом смоделировал и расчитал несколько коробок.

А насёт конструктива, то увы изменить ничего нельзя, на чертеже свариваемые кромки имеют длину - 5 мм. Это требуется для того, чтобы короб(прибор) можно было 3 раза разгерметизировать, смотреть что произошло с внутренностями и потом опять заваривать по кромке и герметизировать.

Чтобы срезать сварной шов и раскрыть короб необходимо фрезой срезать часть кромок, примерно 1,5 мм, соответственно если вскрывать 3 раза то выходит 4,5 мм. Вот такие пираги....

По поводу:"Можете поставить узел на машину контактной сварки и пройти точками вдоль шва (с отступом"... шов обязательно должен быть герметичным, т.е. точечная сварка не подойдёт, разве что с перекрытием точек.

URI-I-I спасибо за ответ.

[URI-I-I 10]

Однако приходится признать, что решение будет половинчато (безотносительно к ручным либо машинным методам расчёта) до тех пор, пока не учтены процессы, изучаемые дисциплинами ТОС (тепловые основы сварки) и ТСНиД (теория сварочных напряжений и деформаций). А именно: химические, структурные и объемные преобразования металла шва и зоны термического влияния, взаимовлияние шва на изделие и изделия на шов, тепловые деформации с учётом временного фактора прохождения дуги по изделию и т. п. Имеются математические решения этих задач, схожие с методологией строительной механики и вариационного исчисления.